Nos últimos 20 anos foram desenvolvidos um grande número de investigações experimentais e analíticas no âmbito do estudo à flexão de painéis sandwich em pontes em que são
composto por camadas contendo material compósito e o núcleo com espuma.
Sharaf et al. efetuou testes de flexão em quatro pontos em painéis sandwich de parede
constituído por lâminas em GFRP e o núcleo de espuma. Os resultados dos testes indicam que uma maior densidade do núcleo de espuma gera um aumento da resistência à flexão última e um aumento da rigidez estrutural. O escorregamento horizontal entre a lâmina de GFRP e o núcleo de espuma podem acelerar a ocorrência de delaminação interfacial do painel
Russo e Zuccarello realizaram ensaios de flexão a três pontos, flexão a quatro pontos, ensaios de corte, ensaios de compressão e tração em tabuleiro em sandwich com espuma PVC e uma camada de poliéster no núcleo. Os resultados do teste mostraram que a resistência à flexão última do tabuleiro depende do modo de rotura. Um modelo numérico também foi criado para estudar a influência do esforço transverso no modo de rotura. Em suma, devido a rotura por instabilidade local e a rotura ocorrida pela delaminação restinguem a aplicação na prática dos tabuleiros sandwich propostos. (Russo e Zuccarello, 2007)
Steeves e Fleck conduziram a investigações experimentais e analíticas sobre mecanismos de colapso de vigas em sandwich simplesmente apoiadas constituídas por lâminas em GFRP e o núcleo constituído por espuma em PVC carregado em 3 pontos à flexão. Os resultados dos testes demonstraram que o modo de rotura é influenciado pela geometria da viga e pela densidade do núcleo de espuma. Mas a resistência à flexão última máxima e a rigidez inicial dos painéis sandwich são pequenos porque não existem treliças ou fibras inseridas que permitam melhorar a rigidez do núcleo. (Steeves e Fleck, 2004)
Reis e Reis e Rizkalla desenvolveram um novo tipo de painéis que continham laminados de GFRP na face superior e inferior do painel, o núcleo de espuma e a ligação entre as camadas era realizada com recurso a utilização de fibras de GFRP. A delaminação ocorreu entre os laminados de GFRP e o núcleo, não ocorre devido a utilização da inserção de fibras entre as camadas. A força atingida pelo painel foi afetada principalmente pela densidade das fibras GFRP, pela espessura dos laminados de GFRP e pela altura do painel. Este tipo painéis sandwich são usados para tabuleiros de pontes pedonais, pois apresentam resistência à flexão última e a rigidez relativamente baixas, não preenchendo os requisitos para utilizar em projetos de pontes de estrada. (Reis, 2005) e (Reis e Rizkalla, 2008)
Realizaram-se teste de flexão para estudar o desempenho do núcleo constituído por espuma de poliuretano, para produção de um tabuleiro de ponte constituído por GFRP. Estes tabuleiros continham furos retangulares, sendo que o processo adotado para o fabrico do tabuleiro de GFRP foi a pultrusão (Zi et al, 2008). Os resultados mostram que a resistência à flexão e a rigidez foram significativamente melhorados em comparação com os tabuleiros de controlo, não foram preenchidos os furos com a espuma de poliuretano. De modo a evitar a rotura entre
a malha de GFRP-banzo foram desenvolvidas ligações entre a malha de GFRP do tabuleiro e o banzo durante o processo de pultrusão, as fibras das treliças da estrutura foram alargadas para metade da largura dos banzos. Assim, o modo de rotura ocorre devido à força adesiva da interface. No entanto, o tamanho deste tipo de tabuleiro de ponte é restringido devido à utilização do processo de pultrusão, este processo de fabrico não permite produzir malhas de GFRP em duas direções. (Zi et al, 2008)
Os estudos anteriormente mencionados avaliaram o comportamento de painéis sandwich carregados à flexão unidirecional não tendo em consideração a flexão bidirecionais, portanto, os efeitos da carga concentrada no desempenho mecânico do painel sandwich desenvolvidos foram ignorados.
Dawood et al. realizou ensaios de flexão bidirecionais para estudar o desempenho 3D de tabuleiros sandwich em GFRP com inserção de fibras. Os resultados demostraram que o desempenho dos tabuleiros foram controlados em função da altura do tabuleiro e a rigidez do núcleo ao corte. O principal modo de rotura do tabuleiro ocorreu devido à instabilidade local do tabuleiro. As influências da espessura da lâmina da face, densidade e volume das fibras de inserção, altura do tabuleiro, e aspetos relacionados com o desempenho à flexão do tabuleiro também foram investigados. No entanto, a lâmina da face inferior do tabuleiro não pode por em causa a resistência à tração quando sujeitas a cargas aplicadas devido à presença de efeitos de encurvadura locais. (Dawood et al, 2010)
Em 2014, Wang Lu et al. investigou um painel sandwich inovador constituído com lâminas de GFRP nas faces do painel e o núcleo de espuma- rede GFRP, sistema designado de painel GFFW, fabricado através do processo de moldagem por transferência de resina por vácuo, designado de VARTM-Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding. O painel sandwich desenvolvido encontra-se representado na Figura 2.9. (Wang Lu, 2014)
Estes autores desenvolveram e testaram um tipo de treliça que faz a ligação do núcleo de espuma. Apresenta uma configuração em rede constituída por GFRP.
Um programa experimental foi realizado para validar a eficácia deste tipo de painéis em termos de capacidade à flexão. Os resultados experimentais indicam que em comparação com os painéis sandwich tradicional, a presença da rede no painel GFFW forneceu um aumento máximo de cerca de 410 % em termos de capacidade de flexão última.
Malhas de GFRP mais espessas e maiores aumentam significativamente a capacidade de flexão última e a rigidez inicial de flexão do painel GFFW.
O tabuleiro em GFFW foi aplicado na ponte de treliças em Xangai Figura 2.10a; e a Figura 2.10b mostra os tabuleiro de pontes em GFFW que serviram para pavimentar uma estrada pantanosa funcionando como placa de suporte.
Figura 2.9 Configuração estrutural do painel sandwich GFFW, (Wang Lu, 2014)
a) Ponte de treliças com tabuleiros GFFW b) Estrada pantanosa pavimentada com GFFW Figura 2.10 Aplicação do painel sandwich GFFW adotado de (Wang Lu, 2015)
A delaminação entre as lâminas de GFRP e o núcleo de espuma ocorre frequentemente em painéis sandwich tradicionais, o que conduz a uma perda significativa da capacidade de carga e desempenho à flexão destes painéis.
Em 2008, Reis and Rizkalla propôs um novo tipo de painel de sandwich constituído por camadas superior e inferior em laminados de GFRP ligados entre si através de fibras de vidro de espessura unidirecional para evitar a delaminação entre os laminados de GFRP e o núcleo de espuma (Figura 2.11). O aumento da capacidade de carga e da capacidade de flexão foi
causada devido ao melhoramento da ação do compósito entre laminado GFRP e do núcleo através da colocação de fibras de vidro com espessura unidirecionais.
Figura 2.11 Painel sandwich desenvolvido por (Reis e Rizkalla, 2008)
Estudo de um painéis sandwich sujeito à flexão constituídos por núcleo em poliuretano, camada superior e inferior de GFRP e nervuras de várias configurações para ligar a camada superior e inferior de GFRP (Figura 2.13). Para assim, tornar possível o aumento da rigidez à flexão e ao corte do painel sandwich. Os estudos mostraram que usando as nervuras, a resistência e a rigidez dos painéis aumenta em comparação com os painéis sandwich sem os reforços internos. Este nível de aumento era dependente da configuração das nervuras Figura 2.12.
No painel sem nervuras, a deformação ao corte do núcleo contribuiu para a deformação à flexão a meio vão em mais de 50%. Ao utilizar as nervuras, a deformação ao corte dos painéis foi limitada entre 15-20% da deformação por flexão total.(Fam e Sharaf, 2010)
Figura 2.12 Painel sandwich desenvolvido por (Fam and Sharaf, 2010)
a) Pormenor A b) Pormenor B c) Pormenor C
Figura 2.13 Pormenor das nervuras de ligação dos painéis por (Fam and Sharaf, 2010)
Em 2012, Sopal et al. foi desenvolvido um painel sandwich GFRP constituído por lâminas onduladas de GFRP, no núcleo de espuma são adicionadas fibras GFRP que tem como função melhorar as características estruturais do painel.
O reforço com fibras no núcleo de espuma impedir a delaminação entre camadas de GFRP e a o núcleo de espuma, enquanto as lâminas onduladas de GFRP servem para aumenta a
resistência ao corte e a rigidez à flexão do painel sandwich GFRP proposto. Ver Figura 2.14. Os resultados experimentais mostraram que adição da lâmina ondulada de GFRP influência significativamente a resistência ao corte e a rigidez à flexão. Existe um bom comportamento a resistência à fadiga, pois o aparecimento de fendas no núcleo ocorro lentamente.
Figura 2.14 Pormenor da ligação entre camada do painel sandwich desenvolvido por (Sopa et al.,2012
Norton propôs um painel composto por duas lâminas constituídas por tecidos em fibra de vidro do tipo E (E-glass) e treliças em malha de GFRP que atuam como membros de suporte à flexão nas vigas. Cada camada de fibra de vidro é constituída por dois tecidos ortogonais que foram ligados por fibras na direção perpendicular formando um material GFRP 3D.
O núcleo é constituído por Balsa e foi inserido entre as treliças de malha em GFRP. As treliças de GFRP foram fabricadas através do processo de moldagem por transferência de resina por vácuo, designado de VARTM-Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding, em que se utilizou uma resina epóxi para fazer a impregnação das fibras de vidro. Optou-se por colocar uma camada de betão na camada superior do painel de forma a obter um painel sandwich híbrido.
Com a utilização de conectores de aço e de material compósito (GFRP) foi possível efetuar a ligação entre a camada superior de betão e a camada inferior de GFRP (Figura 2.15).
a) Conectores metálicos b) Conectores em GFRP Figura 2.15 Conectores dos painéis sandwich desenvolvidos por (Norton, 2004)
A ligação entre o betão e o GFRP era insuficiente (Norton, 2004). Os autores deduziram através dos resultados obtidos no ensaio experimental que induzindo rugosidade à superfície superior da camada de GFRP ou utilizando um agente de ligação entre GFRP-betão, uma ligação mais forte se estabeleceria entre o betão e a camada superior GFRP. O que levaria a
deficiências devido à dificuldade de ligação betão-GFRP, nomeadamente com a ocorrência de delaminação. Ver Figura 2.16.
a) Componentes do panel sandwich proposto por Norton
b) Delaminação e ligação inadequada entre o betão-GFRP
Figura 2.16 Painel Sandwich desenvolvido por (Norton, 2004)